Benutzer:BirgitLachner/Chemie-Buch I zum Lehrplan in Rheinland-Pfalz/Feuer und Brandbekämpfung

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Die sicher alltäglichste Art einer exothermen Reaktion sind Verbrennungsvorgänge. Dabei ist es egal, was brennt, ob es Holz ist, Erdgas, Benzin oder das Metall Magnesium.

Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter dem Begriff "Brennen" die Reaktion eines Materials mit dem Sauerstoff aus der Luft mit einer Flammen-Erscheinung. Bei Magnesium ist das aber nicht der Fall, denn man hat nur einen sehr hellen Bereich um den brennen Bereich, der nach oben aufsteigende weiße Rauch ist das Reaktionsprodukt, Magnesiumoxid.

Was sind Flammen?

Woher dieser Unterschied kommt und was genau eine Flamme ist kannst du bei der Betrachtung und Untersuchung einer Kerzenflamme genau anschauen.


AKTIVITÄT (ERGÄNZUNG) - Untersuchung einer Kerzenflamme
Candle flame by Shan Sheehan.jpg
Bei der Untersuchung einer Kerzenflamme kannst du viel über den Aufbau und die Funktion der Betsandteile einer Kerze erfahren. Alle Anweisungen und Beschreibungen findest du auf der Unterseite:
Untersuchung einer Kerzenflamme  Gnome-devel.svg

Nach den Experimenten weißt du schon was eine Kerzen-Flamme ist. Für alle, die die Experimente nicht durchgeführt haben und damit wir es einmal allgemein definiert haben, hier eine Erklärung was eine Flamme ist.


BEGRIFFE Feuer und Flamme

Allgemein bezeichnet man ein Feuer als die sichtbare Flammenbildung bei einer Verbrennung, also exotherme Reaktion mit Luftsauerstoff.

Eine Flamme ist allgemein immer ein brennendes Gas bzw. Dampf. Bei der Kerze ist es der Wachsdampf, der brennt.

Hast du das schon genau verstanden? Hier ein paar Aufgaben, mit denen du kontrollieren kannst, ob du diese ganz alltäglichen Vorgänge zuordnen kannst?


AUFGABE 1.1 - Holz brennt mit einer Flamme
Campfire (2642914480).jpg
Holz brennt mit einer Flamme. Wie ist das erklärbar, obwohl wir doch gerade geklärt haben, dass bei einer Flamme immer ein gasförmiger Stoff brennt und Holz ein Feststoff ist? Bei der Kerze schmilzt ja der Wachs und verdampt, aber ein schmelzendes Holzstück wirst du sicher noch nicht gesehen haben, oder?
  • Kannst du erklären, was dahinter steckt?
LÖSUNG Aufgabe 1.1
Wenn Flammen ein brennbares Gas sein müssen, dann muss es so sein, das beim Anzünden von Holz ein Gas entsteht, das brennbar ist. Und das ist es, was wir als Flamme sehen. Man bezeichnet dieses Gas auch als Holzgas. Brennt das Holz erst einmal, so wird durch die Wärme des Feuers weiteres Holzgas produziert.


AUFGABE 1.2 - Vergleich Petroleumlampe und
Feuerhand-Sturmlaterne 276 Baby Special Frontal-Ansicht.jpg
Petroleumlampen wurden in der Geschichte schon viele hundert Jahren als Beleuchtungsmittel im Haus verwendet. Sie bestehen meist aus einem Tank und einem Docht, durch den der Brennstoff nach oben gezogen wird. Im obenen Bereich gibt es einen Glaszylinder und der Brennstoff wird kontrolliert verbrannt. Der Docht in der Höhe verstellt werden, um z.B. die Flammengröße zu verändern.
  • Warum reicht es zum Entzünden einer Petroleumlampe nicht aus, einen Funken zu erzeugen, während dies bei einer Gaslampe möglich ist?
LÖSUNG Aufgabe 1.2
Zündsteine (Cereisen) jm33823.jpg
Bei einer Gaslampe, wie auch beim Bunsenbrenner, kann man das Gas, dass aus dem Tank oder aus der Leitung kommt direkt mit einem Funken entzünden. Dazu gab es sogar spezielle Gasanzünder, die im Gegensatz zum modernen Feuerzeug recht langlebig waren.. Sie enthielten eine raue Metalloberfläche und Zündsteine (siehe Bild rechts). Bei Petroleum funktioniert das aber nicht. Grund ist, dass das Petroleum eine Flüssigkeit ist und nur wenn genügend Gasförmiges Petroleum vorhanden ist, kann es brenne. Die Flamme des Streichholzes sorgt dafür, dass am Docht ein wenig des Petroleums verdampft und sobald es sich entzündet, ist es die Flamme des Petroleums selber, die das Verdampfen von noch mehr Petroleums ermöglicht. Dadurch brennt die Flamme immer weiter.


AUFGABE 1.3 - Die Sonne brennt am Himmel?
"Sun".JPG
Im Sommer hört man mach einen sagen "Die Sonne brennt am Himmel". Aber stimmt diese Aussage?
  • Was ist an der Aussage über die Sonne falsch?
LÖSUNG Aufgabe 1.3

Natürlich kann die Sonne nicht in dem Sinne brennen, wie wir es als Definition festgehalten haben, denn dafür wäre ja Sauerstoff und ein Brennstoff notwendig, der mit dem Sauerstoff reagiert. Dennoch produziert die Sonne Licht und Wärme, wie wir es von Feuer gewohnt sind.

In der Sonne findet eine sogenannten KernfusionWikipedia-logo.png statt. Dabei werden Elemente ineinander umgewandelt, allerdings ist das keine chemische Reaktion sonder ein physikalisher Vorgang! Das wir trotzdem das Licht und die Wärme der Sonne spüren, hängt an der elektromagnetische StrahlungWikipedia-logo.png, die ebenfalls bei der Kernfusion frei wird. Dazu gehört die StrahlenWikipedia-logo.png, die leuchten (sichtbares LichtWikipedia-logo.png) und die, die wärmen (Infrarot-StrahlenWikipedia-logo.png). Diese elektromagnetischen Strahlen gibt es übrigens auch bei einer "normalen" exothermen Verbrennung. Diese Strahlen können natürlich auch durch die Leere des Weltalls gelangen.

Wenn man bedenkt, wie weit die Sonne entfernt ist und trotzdem hier auf der Erde immer noch eine so starke Hitze spürt, ist klar, dass die in der Sonne produzierte Energie enorm sein muss.

Bei Holz denken wir ja immer an Feuer und dem Erzeugen von Wärme.

Wusstest du eigentlich, dass in den Zeiten, in denen aufgrund von Weltkriegen udn Wirtschaftskrisen die Lieferung von Erdöl zur Erzeugung von Benzin und Diesel nicht möglich war, auch Holz als "Treibstoff" für Autos verwendet wurde? Das hört sich ziemlich unrealistisch an, oder?

Ds Bild rechts zeigt einen sogenannten Holzvergaser, der an einem Auto von 1941 hinten befestigt ist. In dem Kessel wurde ein Gas produziert
Adler Diplomat 3 GS mit Holzgasgenerator-hinten rechts.JPG

Rund um das Thema Holz gibt es also noch ein paar Interessante Dinge, die du dir genauer anschauen kannst, wenn dich das Thema interessiert.


AKTIVITÄT (ERGÄNZUNG) - Die Pyrolyse von Holz

Bei der Gewinnung von einem brennbaren Gas aus Holz handelt es sich chemisch gesehen um eine sogenannte PyrolyseWikipedia-logo.png. Mehr Informationen dazu und ein Experiment gibt es hier:

Die Pyrolyse von Holz  Gnome-devel.svg

Wie gefährlich ist das? - Brennbar, Entflammbar, Explosiv

GHS-pictogram-flamme.svg

Im Alltag begegnet ihr immer wieder Stoffen die Brennbar sind. So findet man im Supermarkt Reinigungsbenzin, Motoröl, Nagellackentferner, Ölspray und Lampenöl. Aber nicht alle sind mit dem Gefahrensymbol Leicht­entzündlich gekennzeichnet.

Was macht den Unterschied aus? Wie muss ich mit diesen Stoffen umgehen?

Beim Lampenöl ist es wie beim Petroleum bzw. bei der Petroleumlampe. Das Lampeöl entzündet sich sich nicht so leicht, dass man es mit dem Symbol für Feuergefärhliche Stoffe markieren muss.

Chemisch stecken hinter diesem Unterschied einige Stoffeigenschaften, die wir bisher noch nicht betrachtet haben:


Flammpunkt, Brennpunkt, Zündtemperatur

Man unterscheidet bei brennbaren Flüssigkeiten zwischen ...

  • Flammpunkt: Die niedrigste Temperatur, bei der sich über einem Stoff ein zündfähiges Dampf-Luft-Gemisch bilden kann. Ist das Volumen des Gemisches groß genug, kann eine Explosion erfolgen.
  • Brennpunkt: Die Temperatur, bei der sich das Gemisch aus Brennstoffdampf und Luft entzündet werden kann und auch genug Dampf nachgebildet wird, so das die Reaktion weiterhin ablaufen kann. Meist ist der Brennpunkt knapp über dem Flammpunkt und wird daher meist nicht angegeben.
  • Zündtemperatur: Temperatur, bei der sich ein Stoff ohne weitere Zündquelle (Funke, Zündflamme, ...) selbstständig entzündet.

Betrachten wir einmal ein paar bekannte Brennstoffe und ihre Daten:

Schauen wir erst einmal den Spiritus an: Obwohl Spiritus eine Siedetemperatur von 78,32°C hat, verdampft bereits bei niedrigeren Temperatur etwas von dem enthaltenen Alkohol. Bereits ab 12°C kann dabei soviel Alkohol verdampfen, dass schon ein Zündfunken ein brennbares Gemisch bildet. Allerdings muss die Menge (Menge) an verdampften Alkohol in einem abgeschlossenen Raum groß genug sein, damit sich das Luft-Alkohol auch entzünden kann. Für den Alltag reicht es, wenn man den Alokohl in einem stabilen geschlossenen Gefäß aufbewahrt, so dass das Gas nicht entweichen kann. Von einer Heizplatte oder einer anderen Wärmequelle kann Ethanoldampf ab einer Temperatur von 400°C auch ohne eine Zündflamme entzündet werden.

Beim Benzin haben wir zwar eine höhere Siedetemperatur als beim Spiritus, aber das Benzin ist so leicht flüchtig, dass bereits bei -9°C soviel davon verdampft, dass sich zündfähige Gemische bilden können. Die Zündtemperatur zur Selbstentzündung ist aber wie beim Spiritus. Daher ist der Umgang mit Benzin gefährlicher, denn es kann leichter zu Explosionen kommen. Daher muss auch an Tankstellen besonders darauf geachtet werden, das nicht geraucht wird.

Obwohl Diesel wie das Benzin als Treibstoff getankt wird, haben wir hier erhebliche Unterschiede bei den Daten. Die Siedetemperatur ist wesentlich höher und so ist es nicht verwunderlich, dass auch der Flammpunkt höher ist. Das heißt, dass der Umgang mit Diesel (bezüglich der Brennbarkeit) wesentlich unproblematischer ist, denn bei normalen Temperaturen kann sich kein zündfähiges Gemisch bilden. Auf der anderen Seite entzündet sich verdampfter Diesel aber bei niedrigeren Temperaturen von alleine. Das ist auch der Grund, warum der Dieselmotor ein Selbstzünder ist und keine Zündkerzen braucht.



AUFGABE 2.1 - Brennbare Stoffe für den Brandschutz?

Die meisten Kunststoffe sind brennbar. Warum können manche dieser (brennbaren) Kunststoffe trotzdem für Brandschutzmaßnahmen eingesetzt werden.?

LÖSUNG Aufgabe 1
Brennbar bedeutet ja nicht, dass sich ein Stoff schnell und schon bei niedirgen Temperaturen entzündet. Meist verwendet man Kunststoffe, die erst bei sehr hohen Temperaturen zu brennen anfangen und eine gewissen Zeit einer Flamme widerstehen können.


AUFGABE 2.2 - Zeitungsberichte von Unfällen mit unerwarteten Explosionen

Lies dir die kurzen Ausschnitte von Zeitungsartikeln durch und stelle fest, welche Fehler gemacht wurden. Wie kam es zu dem Unglück? Versuche die neu gelernten Fachbegriffe zu verwenden:

  1. Artikel: Ölofen heizen mit Benzin Weil einer Studentin das Heizöl für ihren Ölofen ausgegangen ist, erinnert sie sich an den Reservekanister in ihrem Auto. Sie füllt statt Heizöl Superbenzin in den Ofen und entzündet ihn. Der Ofen explodiert.
  2. Artikel: Ist der Tank noch voll? Der Fahrer eines mit 32000 Litern Dieselöl beladenen Gefahrgutlasters prüft mit seinem Feuerzeug, ob der Treibstoftank noch voll genug sei. Die Stichflamme bei der Verpuffung verletzt den Mann schwer. Glücklicherweise entzündet sich die Ladung nicht.
  3. Artikel: Schleiffunken entzünden Benzindämpfe Ein junger Arbeiter arbeitet in einem Metallbetrieb mit einer Schleifhexe. Dabei fliegen die Funken. Diese Entzünden herumliegende Putzlappen, die mit Lösemittel wie Benzin getränkt sind. Der junge Mann läuft brennend aus der Halle und wird von Helfern durch Herumrollen am Boden gelöscht. Er muss in eine Spezialklinik für Verbrennungen gebracht werden. (Gütersloh)
LÖSUNGEN Aufgabe 2.2
  1. Öl ist weniger leichtflüchtig als Benzin d.h. es hat vermutlich einen höhen Flammpunkt. Da der Ofen genau auf diese Eigenschaften von Öl eingestellt ist, ist es eine sehr schlechte Idee, Benzin zu verwenden. Vermutlich ist viel von dem Benzin verdunstet und hat so ein zündfähiges Gemisch gebildet.
  2. Vermutlich wird im Treibstoff-Tank noch etwas von dem Treibstoff übrig sein. Abgepumpt wird aus dem Tank immer nur die Flüssigkeit und selbst wenn keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist, bleibt immer noch etwas verdampfter Treibstoff übrig. Selbst wenn erst einmal kein oder zu wenig Sauerstoff im Tank ist, damit das Gas verbrennen/explodieren kann, so wird bei geöffnetem Deckel sicher ein Austausch stattfinden und irgendwann bildet sich in dem Tank ein gefährliches Gemisch aus Treibstoff-Dämpfen und Suaerstoff, das explodierten kann, wenn es zum Beispiel durch eine Flamme entzündet wird. Wenn, dann schon bitte mit einer Taschenlampe hineinleuchten.
  3. Benzin kann als Reinigungsmittel verwendet werden. Vor allem für fettige Verschmutzungen, die nicht mit Wasser mischbar sind. Da das Benzin aber auch leichtflüchtig ist, wird der größte Teil des Benzins in/auf den Lappen verdampft sein und wenn die Dämpfe sich noch nicht zu weit verteilt haben, können sie von einem Funken entzündet werden. Bei vielen Reinigungsmittel steht deshalb auch dabei, dass man benutzte Lappen im Freien aufbewahren soll, damit sich der Dampf nicht in einem Raum sammelt und womöglich aus Versehen entzündet werden kann.


AUFGABE 2.3a - Wie geht man mit diesen Stoffen richtig um?

Beispiel: Acetaldehyd ist ein Zwischenprodukt in der chemischen Industrie, das aber auch im Körper in geringen Mengen als Abbauprodukt von Alkohol entstehen kann und in einige Lebensmitteln in geringen Mengen vorkommt.Sicherheitsdatenblatt

Physikalische Eigenschaften: Smt. -123°C und Sdt. 20°C, Flammpunkt -20°C, Zündtemperatur 155°C
Anweisung zum Umgang: Acetaldehyd muss in einem gut verschlossenen Gefäß gekühlt gelagert werden. Bei der Benutzung muss der Raum gut gelüftet werden oder eine Absaugung bestehen. Jede Zünd- und Wärmequelle ist fernzuhalten.
  • Erkläre die Anweisungen zum Umgang mit dem Acetaldehyd anhand der Eigenschaften.
LÖSUNG Aufgabe 2.3a

Der geringe Flammpunkt bedeutet ja, dass so viel von dem Stoff schon bei sehr niedrigen Temperturen entsteht, dass die Gefahr einer Entzündung durch Feuer oder einen Funken besteht. Die Aufbewahrung im Kühlschrank in einem geschlossenen Gefäß hilft dabei, die Menge an entstehendem Gas gering zu halten. Durch die niedrige Temperatur hat man im Gefäß keinen so großen Druck, der durch verdampftes Acetaldehyd zustande kommen würde.

Die Lüftung im Raum ist wichtig, dass das Acetaldehyd, was aus einem geöffneten Gefäß auf jeden Fall entweichen wird, keine zu große Konzentration im Raum erreichen kann. Dadurch wird die Explosionsgefahr verringert. In der Schule sollte Acetaldehyd deshalb im Abzug genutzt werden.


AUFGABE 2.3b - Wie geht man mit diesen Stoffen richtig um?

Versuche, ähnlich wie beim Acetaldehyd, Anweisungen zu geben, wie man den den zwei folgenden Stoffen umgehen sollte. Welche Gefahren bestehen und welche nicht? Welche Umstände führen zu einer Gefährdung, welche nicht? Beachte die Gefahrensymbole und Schmelz- und Siedetemperaturen der Stoffe.

1. Stoff: Aceton Sdt.: 56°C, Flammpunkt < -20°C GHS-pictogram-flamme.svg
2. Stoff: Brennspiritus Sdt.: 78°C, Flammpunkt 12°C GHS-pictogram-flamme.svg GHS-pictogram-exclam.svg
LÖSUNG Aufgabe 2.3b
... Kommt noch ...

Ergänzende Themen rund um Feuer und Flamme

Damit hast du nun wirklich schon viel gelernt über exotherme Reaktionen wie das es Brennen ist. Zwei Themen wären noch als Ergänzung interessant, die wir für alle kurz ansprechen. Wer Interesse hat, kann sich mit diesen Themen noch etwas ausführlich beschäftigen.

  • Warum sind einige Stoffe brennbar und andere nicht?
  • Was der perfekte Weg, um eine Feuer - z.B. ein Grill- oder Lagerfeuer - anzuzünden.?

Brennbar oder Nicht?

Erinnern wir uns an die Definition von "Brennen", diesmal in einer kurzen Variante. Wobei ergänzt werden muss, dass das eine Definition für den Schulgebrauch ist.


DEFINTION Brennen
"Brennen" ist eine exotherme Reaktion eines Materials mit dem Sauerstoff aus der Luft mit meist einer Flammen-Erscheinung.

Abgesehen von der Tatsache, dass die meisten brennbaren Stoffe gasförmig oder zumindest leicht flüchtig sein müssen, hängt es von dem Stoff selber ab, ob er brennbar. Dabei spielen vor allem zwei Dinge eine Rolle:

  • Wie sieht es mit der Aktivierungsenergie aus? Und wieviel Energie wird bei der ja immer exothermen Verbrennung frei?
  • Haben die Stoffe überhaupt das Bedürfnis sich mit Sauerstoff zu verbinden?

Vermutlich der wichtigste Punkt ist der mit der Energie. Brennen ist ein sich selbst erhaltender Vorgang. Das heißt, die freiwerdende Energie muss ausreichen, die Aktivierungsenergie für einen Stoff aufzubringen.


AKTIVITÄT (ERGÄNZUNG) - Brennbar und Explosiv, was steckt da dahinter?

Wenn du dich fragst, warum eien Stoffe brennen und andere nicht, dann könnte dieses Untertehema für dich interessant sein. Viele Reaktionen, bei denen Wärme im Spiel ist, kommen von dem Bedürfnis von Stoffen/Elementen zu bestimmten Arten von Oxiden zu reagieren. So können wir viele alltägliche Phänomene erklären.

Warum sind Stoffe brennbar?  Gnome-devel.svg

Die Kunst des Feuer-Anzündens

Sicher wird jeder Grill-Besitzer mit der Zeit das perfekte Hilfsmittel zum Anzünden des Grills gefunden haben. Leider gibt es auf Weg dahin, öfters aber auch einen größeren Unfall. Grund für einen Unfall ist meist ein unsachgemäße Benutzung von brennbaren Flüssigkeiten wie Spiritus oder andere Brandbeschleuniger.

Ein Lagerfeuer anzünden ist eine etwas andere Sache, da gar nicht so viele Hilfsmittel nutzen kann. Hier ist mehr die Vorgehensweise wichtig. Erfahrene Chemiker macht es meist keine Probleme, denn sie wissen auf was man achten muss.

Das folgende freiwillige Thema zeigt gut funktionierende Beispiele und erklärt, was da an Theorie dahinter steckt und wie es zu den Fehlern kommt.


AKTIVITÄT (ERGÄNZUNG) - Die Kunst des Feuer-Anzündens

Wie geht man richtig beim Anzünden eines Feuers vor? Und auf was muss man achten, damit es nicht zu gefährlich wird? Antworten und Chemie-Theorie dazu, erwartet dich auf dieser Unterseite:

Die Kunst des Feuer-Anzündens  Gnome-devel.svg

Feuer löschen